地下水硝酸盐的分布特征、驱动因素及健康风险评估：以矿区为例

《Journal of Contaminant Hydrology》：Distribution characteristics, driving factors and health risk assessment of nitrate in groundwater: A case study in mining-affected areas

　　

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  全面调查硝酸盐富集地下水的理化特征及其演化规律。
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  分析地下水中硝酸盐富集的机制，并构建了硝酸盐富集地下水演化的概念模型。
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  识别地下水污染物的来源。
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  评估地下水质量以及居民的潜在健康风险。

引言

地下水是一种重要的水源，对社会、经济、农业和工业发展至关重要（Bordbar等，2023；贾等，2023）。在自然条件下，地下水的化学性质取决于补给水源的水质、土壤岩石类型、水与土壤岩石的相互作用、地下水动力学及水文地质背景等因素（Kuang等，2024；Yang等，2022a）。如今，地下水资源受到人口增长、快速城市化和工业发展的威胁（Zhong等，2025；Yuan等，2023；Zhang等，2025）。氮是主要的生物地球化学元素之一，通过固氮作用以硝酸盐（NO₃^?）、亚硝酸盐（NO₂^?）和铵盐（NH₄⁺）的形式存在于土壤中（Hao等，2025）。随后，土壤中的无机氮很容易通过淋溶作用进入地下水（Libutti和Monteleone，2017）。然而，由于NH₄⁺和NO₂^?在氧化条件下很容易转化为NO₃^?，地下水中NH₄⁺和NO₂^?的含量通常较低（Zhou等，2024）。由于NO₃^?具有很强的迁移性和高溶解度，地下水特别容易受到污染。过量氮素输入地下水是一个主要的全球环境问题。同时，饮用水中过量的NO₃^?可能威胁人类健康，导致癌症、高铁血红蛋白血症风险增加、甲状腺功能降低和生殖损伤等不良后果（Rotiroti等，2023）。总体而言，蒸发、水动力学特征、水岩相互作用等自然因素，以及农业和工业活动等人为因素，是调节NO₃^?的主要驱动力（Yang等，2024；Wang等，2023a）。因此，有必要识别自然因素和人为因素对地下水中NO₃^?空间分布的影响，以改善区域地下水质量并保护人类健康。

采矿活动会对地下水质量产生显著影响。近年来，关于采矿对地下水影响的研究主要集中在三个方面：地下水水化学成因机制、地下水质量演化以及地下水对人体健康风险评估。研究发现，采矿对地下水的影响是全面且长期的。一方面，采矿活动会改变地下水的分布和循环（Mardonova和Han，2023；Li等，2022）。采矿活动导致地表裂缝和结构塌陷，从而增加降水入渗或地表水渗漏，改变地下水环境（Xie等，2023）。另一方面，露天尾矿库也可能通过地表径流增加地下水中污染物的浓度，这是由于渗漏失效造成的（Liu等，2024）。然而，在同时包含采矿产能区、大量尾矿库和废弃采石场等多种因素的矿区进行硝酸盐研究仍然很少，大多数研究仅关注地下水质量或仅提供周边水环境的初步现状评估。

平泉市位于河北省东北部，地处河北、辽宁、内蒙古三省（区）交界之处。平泉市拥有丰富的金属和非金属矿产资源，包括金、银、黄铁矿、闪锌矿、方铅矿、黄铜矿、白云母、绢云母、钾长石、碳酸盐矿物、倒退云母、磷灰石等（郭等，2014；刘等，2018）。废弃矿山数量较多，由于露天采矿以及各种废弃物、废石、尾矿堆放和工业场地，对周边生态环境及相关含水层造成不同程度的影响。尽管一些研究已评估了地下水中NO₃^?污染情况，发现NO₂^?和NH₃-N未超标，而NO₃^?浓度在0.94至259 mg/L之间，平均值为47.8 mg/L，表明该地区存在严重的NO₃^?富集问题，可能对周边环境和人类健康构成威胁（Li等，2025；Hu等，2025）。然而，这些研究主要针对个别城镇，缺乏一种能够直接关联整个平泉地区地下水的系统性方法。

因此，本研究聚焦于以下目标：(1) 全面调查硝酸盐富集地下水的理化特征及其演化规律；(2) 分析地下水中硝酸盐富集的机制；(3) 识别地下水污染物的来源；(4) 评估地下水质量以及居民的潜在健康风险。本研究将为了解矿区附近硝酸盐富集地下水的水文地球化学特征及其成因提供科学依据，并为地下水资源配置和减轻人类健康风险提供参考。

章节摘要

地理、气候与水文学

研究区位于河北省东北部（图1），东经118°21′03″~119°15′34″、北纬40°40′17″~41°24′00″，面积约3295.45 km²。平泉市海拔在346 m至1713 m之间，平均海拔约500 m，如图1所示。该市为大陆性季风气候，年平均降水量约为540.10 mm。降水在空间和时间上均表现出显著差异

数据收集

2024年6月至8月，从平泉市的监测井中共采集了236个地下水样品，目标为深度50 m以内的基岩裂隙带承压以外的无压地下水（表S1），地理坐标范围为东经118°21′03″~119°15′34″、北纬40°40′17″~41°24′00″，采样点分布如图1所示。采样点的选择依据为《环境监测技术

地下水化学成分

对地下水的水文地球化学参数进行了统计汇总，如表3和图2所示。图2以小提琴图展示了15个水文地球化学参数，红色虚线标示了中国标准中规定的NH₃-N、SO₄^2?、NO₃^?、NO₂^?、F^?、Cl^?、TDS和COD的限值。表3列出了水质指标的计量单位、最大值、最小值、平均值、标准差，以及中国标准中规定的限值

结论

本研究采用了多种方法，包括离子比值分析、主成分分析（PCA）、土地利用类型和污染物浓度分布分析、熵权水质指数（EWQI）评估以及人体健康风险评估，建立了针对硝酸盐富集地下水的水质评价体系，旨在识别和控制地下水污染。对平泉市水文地球化学数据的分析表明，主导性的水化学

CRediT作者贡献声明

He Zhang（张贺）：撰写—审阅与编辑、撰写—原稿、可视化、验证、软件、资金获取、正式分析、数据整理、概念构思。Jiangyulong Wang（王江玉龙）：撰写—原稿、可视化、指导、资源、项目管理、方法论、调查。Tao Cui（崔涛）：撰写—原稿、可视化、验证、软件、正式分析。

未引用参考文献

(APHA) American Public Health Associated，2012

Li and Li，2024

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知财务利益冲突或人际关系。

致谢

本研究由河北省教育厅科学技术项目资助，项目编号QN2026117；廊坊师范学院博士研究启动项目资助，项目编号XBQ202412；国家地下水监测网络运行维护（中国廊坊中心）资助，项目编号DD20251300106。

He Zhang|Jiangyulong Wang|Tao Cui